JP2011134972A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示された技術は、ゲルマニウム(Ge)を含む半導体で構成されたチャネル領域を有するPチャネル型電界効果型トランジスタ(P型FET)とその製造方法に関するものである。 The technology disclosed in the present specification relates to a P-channel field effect transistor (P-type FET) having a channel region made of a semiconductor containing germanium (Ge) and a method for manufacturing the same.
半導体装置のデザインルールの縮小に伴って回路の集積度は飛躍的に向上し、1チップ上に1億個以上の電界効果型トランジスタ(FET)を搭載することも可能となっている。高性能なトランジスタを実現するためには、ゲート長の縮小だけでなく、ゲート絶縁膜の薄膜化も求められている。従来、ゲート絶縁膜としてはシリコン酸化膜、あるいは、その窒化膜であるシリコン酸窒化膜が用いられてきたが、EOT(Equivalent Oxide Thickness)が2nm以下の薄膜領域になると、ゲートリーク電流が増大し、回路の消費電力が増大するという不具合が発生する。 As the design rules of semiconductor devices are reduced, the degree of circuit integration has dramatically improved, and more than 100 million field effect transistors (FETs) can be mounted on one chip. In order to realize a high-performance transistor, not only reduction of the gate length but also reduction of the gate insulating film is required. Conventionally, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, which is a nitride film thereof, has been used as the gate insulating film. However, if the EOT (Equivalent Oxide Thickness) is a thin film region of 2 nm or less, the gate leakage current increases. This causes a problem that the power consumption of the circuit increases.
そこで、ゲートリーク電流を低減しつつ、EOT薄膜化を実現するために、高誘電率ゲート絶縁膜に関心が寄せられている。例えば、更なるEOT薄膜化のために、窒化チタンや窒化タンタルなどといったメタル材料を含むゲート電極を、高誘電率ゲート絶縁膜と組み合わせた、高誘電率ゲート絶縁膜/メタルゲート電極構造を有するトランジスタについて、多くの研究開発がなされている。 Therefore, in order to realize an EOT thin film while reducing a gate leakage current, attention is focused on a high dielectric constant gate insulating film. For example, a transistor having a high dielectric constant gate insulating film / metal gate electrode structure in which a gate electrode containing a metal material such as titanium nitride or tantalum nitride is combined with a high dielectric constant gate insulating film for further EOT thinning Much research and development has been done.
高誘電率ゲート絶縁膜/メタルゲート電極構造を実現する上での課題の一つに、トランジスタのしきい値電圧制御がある。従来から用いられているシリコン電極では、不純物イオン注入によってゲート電極の仕事関数を調整し、N型FET、P型FETでそれぞれに適したしきい値電圧を実現している。具体的には、N型FETに対しては、シリコン電極にヒ素やリンなどのn型不純物を注入することで仕事関数を低減させ、P型FETに対してはシリコン電極にボロンなどのp型不純物を注入することで、仕事関数の増大を図っている。一方、メタル電極に対しては、不純物注入による仕事関数制御ができないため、トランジスタのしきい値電圧制御が大きな課題となっている。 One of the problems in realizing the high dielectric constant gate insulating film / metal gate electrode structure is the threshold voltage control of the transistor. In silicon electrodes that have been used conventionally, the work function of the gate electrode is adjusted by impurity ion implantation, and threshold voltages suitable for the N-type FET and P-type FET are realized. Specifically, for N-type FETs, the work function is reduced by implanting n-type impurities such as arsenic and phosphorus into the silicon electrode, and for P-type FETs, p-type such as boron is used for the silicon electrode. The work function is increased by injecting impurities. On the other hand, the threshold voltage control of a transistor is a big problem because work function control by impurity implantation cannot be performed for a metal electrode.
P型FETのしきい値電圧制御、特にしきい値電圧を低減するための対策として、トランジスタのチャネル領域を従来のシリコン(Si)に対して、Si1−xGex(0<x≦1)(以下、単に「SiGe」と表記する場合もあり)で形成することが提案されている(非特許文献1参照)。 As a measure for controlling the threshold voltage of the P-type FET, particularly for reducing the threshold voltage, the channel region of the transistor is Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1) compared to conventional silicon (Si). ) (Hereinafter sometimes simply referred to as “SiGe”) (see Non-Patent Document 1).
図8(a)は、非特許文献1記載のP型FETの断面形状を模式的に示す図である。このP型FETは、半導体基板500と、半導体基板500の活性領域500a上に設けられた厚さ50nm程度のSiGe層504aと、SiGe層504a上にゲート絶縁膜507aを間に挟んで設けられたゲート電極510aと、SiGe層504aのうちゲート電極510aの両側方に位置する領域にそれぞれ設けられたp型のエクステンション領域511a及びn型のポケット不純物領域512aと、活性領域500a及びSiGe層504aのうちゲート電極510aの両側方であってゲート電極510aから見てエクステンション領域511aの外側に設けられたp型のソース領域/ドレイン領域514aとを備えている。SiGe層504aのうちゲート電極510aの直下領域はn型SiGe層504となっており、チャネル領域はこのn型SiGe層504内に形成される。
FIG. 8A is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of the P-type FET described in Non-Patent Document 1. FIG. The P-type FET is provided on the
ゲート絶縁膜507aは下部ゲート絶縁膜505aと上部ゲート絶縁膜506aとで構成され、ゲート電極510aは下部ゲート電極508aと上部ゲート電極509aとで構成されている。
The gate insulating film 507a is composed of a lower gate insulating film 505a and an upper gate insulating film 506a, and the
チャネル領域をSiGeで構成することで、しきい値電圧が低減するメカニズムは以下の通りである。 The mechanism for reducing the threshold voltage by configuring the channel region with SiGe is as follows.
Siのバンドギャップは、1.12eVであるのに対して、Geのバンドギャップは0.66eVと小さく、それらの混晶であるSi1−xGex(0<x≦1)のバンドギャップはGe組成比xに応じて、0.66eV〜1.12eVで連続的に変化する。SiとGeの電子親和力はほぼ同じであるため、組成比xの変化に伴うSi1−xGex(0<x≦1)のバンドギャップの変動は主に、価電子帯のエネルギーの変動に起因する。つまり、Si1−xGex(0<x≦1)の価電子帯のエネルギーは、Siの価電子帯のエネルギーに対して高くなる。その結果、SiGeでチャネルを構成することで、しきい値電圧を低減することが可能となる。非特許文献1によれば、n型SiGe層504の一部にチャネルを形成することで、250〜300mV程度のしきい値電圧の低減が報告されている。
The band gap of Si is 1.12 eV, whereas the band gap of Ge is as small as 0.66 eV, and the band gap of Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1), which is a mixed crystal thereof, is According to the Ge composition ratio x, it continuously changes from 0.66 eV to 1.12 eV. Since the electron affinity of Si and Ge is almost the same, the fluctuation of the band gap of Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1) accompanying the change of the composition ratio x is mainly due to the fluctuation of the energy of the valence band. to cause. That is, the energy of the valence band of Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1) is higher than the energy of the valence band of Si. As a result, the threshold voltage can be reduced by configuring the channel with SiGe. According to Non-Patent Document 1, a reduction in threshold voltage of about 250 to 300 mV has been reported by forming a channel in a part of the n-
しかしながら、チャネルにSiGe層を用いる場合、トランジスタのVt roll−off(以下、短チャネル特性と表記する場合もあり)が劣化しやすいという課題が発生する。 However, when the SiGe layer is used for the channel, there is a problem that the Vt roll-off (hereinafter sometimes referred to as short channel characteristics) of the transistor is likely to deteriorate.
図8(a)に示す従来の半導体装置では、短チャネル特性すなわちゲート長を短くした場合にしきい値電圧が急激に低下する特性を改善するためにエクステンション領域511aの周囲にn型のポケット不純物領域512aが設けられている。
In the conventional semiconductor device shown in FIG. 8A, an n-type pocket impurity region is provided around the
図8(b)は、従来の半導体装置におけるしきい値電圧Vtとゲート長Lgとの関係を示す図である。ここでは、チャネル領域がSiで構成されている半導体装置、チャネル領域がSiGeで構成され、高濃度の不純物を含むポケット不純物領域を備えた半導体装置、及びチャネル領域がSiGeで構成され、低濃度の不純物を含むポケット不純物領域を備えた半導体装置のそれぞれについてのシミュレーション結果を示している。 FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the threshold voltage Vt and the gate length Lg in the conventional semiconductor device. Here, a semiconductor device in which a channel region is made of Si, a semiconductor device in which a channel region is made of SiGe, a pocket impurity region containing a high concentration impurity, and a channel region is made of SiGe, and a low concentration The simulation result about each of the semiconductor devices provided with the pocket impurity region containing an impurity is shown.
図8(b)に示す結果から、チャネル領域がSiで構成されている半導体装置では広いゲート長範囲でしきい値電圧がほぼ一定になっているが、低濃度の不純物を含むポケット不純物領域を備えた半導体装置ではゲート長が減少するのに伴ってしきい値電圧が低下し、短チャネル特性が劣化していることが分かった。 From the result shown in FIG. 8B, in the semiconductor device in which the channel region is made of Si, the threshold voltage is almost constant over a wide gate length range. It was found that in the semiconductor device provided, as the gate length decreased, the threshold voltage decreased and the short channel characteristics deteriorated.
本願発明者らが原因を究明したところ、SiGe層中ではSi層中に比べてポケット不純物領域内の不純物の拡散係数が大きく、活性化アニール時にポケット不純物領域内の不純物が拡散し、不純物濃度が低下するために生じたものと考えられた。なお、非特許文献2によれば、Ge濃度が25%増大すると、ヒ素(As)の拡散係数が1桁増大するとのことである。 As a result of investigation by the inventors of the present application, in the SiGe layer, the impurity diffusion coefficient in the pocket impurity region is larger than in the Si layer, the impurity in the pocket impurity region diffuses during the activation annealing, and the impurity concentration is increased. It was thought to have occurred because of the decline. According to Non-Patent Document 2, when the Ge concentration increases by 25%, the diffusion coefficient of arsenic (As) increases by an order of magnitude.
ここで、ポケット不純物領域内の不純物濃度を増大させる場合、図8(b)に示すように、ある程度短チャネル特性を改善することができる。しかし、この場合にはポケット不純物領域からゲート電極の下方に拡散する不純物の量が増大するので、ゲート長が短い場合に一旦しきい値電圧が上昇する現象(逆短チャネル特性)が発生してしまう。 Here, when the impurity concentration in the pocket impurity region is increased, the short channel characteristics can be improved to some extent as shown in FIG. However, in this case, since the amount of impurities diffusing from the pocket impurity region to the lower side of the gate electrode increases, a phenomenon (inverse short channel characteristic) in which the threshold voltage increases once when the gate length is short occurs. End up.
特に、SiGe層中では、ポケット不純物領域内の不純物の拡散が増大するため、ゲート電極下部へのポケット不純物の拡散が顕著になり、逆短チャネル特性が強く表れてしまう。 In particular, in the SiGe layer, since the diffusion of impurities in the pocket impurity region increases, the diffusion of the pocket impurity to the lower portion of the gate electrode becomes remarkable, and the reverse short channel characteristic appears strongly.
つまり、ポケット不純物濃度の増大により、ゲート寸法の変動に伴うしきい値電圧の変動を低減(短チャネル特性の改善)させることは可能であるが、ショートトランジスタ(すなわち、ゲート長が短いトランジスタ)のしきい値電圧が全体的に上昇するのを抑制しつつ、しきい値電圧の変動を抑えることは容易ではないと考えられる。 That is, by increasing the pocket impurity concentration, it is possible to reduce fluctuations in threshold voltage due to fluctuations in gate dimensions (improvement of short channel characteristics), but in short transistors (that is, transistors having a short gate length). It is considered that it is not easy to suppress the fluctuation of the threshold voltage while suppressing the increase of the threshold voltage as a whole.
本発明の目的は、Geを含む半導体で構成されるチャネル領域を有するP型FETにおいて、逆短チャネル特性の発生を抑制しつつ、短チャネル特性を改善することにある。 An object of the present invention is to improve short channel characteristics while suppressing the occurrence of reverse short channel characteristics in a P-type FET having a channel region formed of a semiconductor containing Ge.
本発明の一例である半導体装置は、半導体基板上に形成されたPチャネル型トランジスタを備えた半導体装置であって、前記Pチャネル型トランジスタは、前記半導体基板上に形成され、ゲルマニウムを含有する第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成され、前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に第1のゲート絶縁膜を間に挟んで形成された第1のゲート電極と、前記第2の半導体層のうち前記第1のゲート電極の両側方に位置する部分に形成されたp型の第1のエクステンション領域と、少なくとも前記第1の半導体層内に設けられ、且つ前記第1のエクステンション領域の下に形成されたn型不純物領域とを有している。 A semiconductor device as an example of the present invention is a semiconductor device including a P-channel transistor formed on a semiconductor substrate, and the P-channel transistor is formed on the semiconductor substrate and contains germanium. One semiconductor layer, a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer, and a first semiconductor layer on the second semiconductor layer. A first gate electrode formed with a gate insulating film interposed therebetween, and a p-type first extension formed on a portion of the second semiconductor layer located on both sides of the first gate electrode. A region and an n-type impurity region provided at least in the first semiconductor layer and formed below the first extension region.
上述の構成によれば、第1のエクステンション領域の下にn型不純物領域が設けられていることでソース−ドレイン間のリーク電流を低減できる等、短チャネル効果を抑制することができる。また、SiGe層中でのn型不純物の拡散係数は、Ge濃度の増大に伴い増加する。従って、第2の半導体層に含まれるGe濃度を第1の半導体層中のGe濃度よりも低くすることで、n型不純物領域中のn型不純物がゲート電極の下方領域に拡散するのを抑えることができるので、ゲート長が短い場合でもしきい値電圧が上昇する等の逆短チャネル効果の発生を抑えることができる。 According to the above-described configuration, the short channel effect can be suppressed, for example, the leakage current between the source and the drain can be reduced by providing the n-type impurity region below the first extension region. In addition, the diffusion coefficient of n-type impurities in the SiGe layer increases as the Ge concentration increases. Therefore, by making the Ge concentration contained in the second semiconductor layer lower than the Ge concentration in the first semiconductor layer, the diffusion of the n-type impurity in the n-type impurity region into the region below the gate electrode is suppressed. Therefore, even when the gate length is short, the occurrence of an inverse short channel effect such as an increase in threshold voltage can be suppressed.
これに対し、第1のエクステンション領域に含まれるp型不純物の拡散係数は、半導体層中のGe濃度が増大するにつれて減少する。そのため、Ge濃度が第2の半導体層よりも高い第1の半導体層中ではp型不純物の拡散が抑えられるので、従来の半導体装置に比べて第1のエクステンション領域とn型不純物領域との接合部の深さを浅くすることができる。そのため、短チャネル効果を効果的に抑制することができる。また、ゲート電極の下方にSiGeからなる第2の半導体層が設けられているので、シリコン基板上にゲート電極を設ける場合に比べてP型FETのしきい値電圧を下げることができる。 On the other hand, the diffusion coefficient of the p-type impurity contained in the first extension region decreases as the Ge concentration in the semiconductor layer increases. Therefore, the diffusion of the p-type impurity is suppressed in the first semiconductor layer having a Ge concentration higher than that of the second semiconductor layer, so that the junction between the first extension region and the n-type impurity region is compared with the conventional semiconductor device. The depth of the part can be reduced. Therefore, the short channel effect can be effectively suppressed. Further, since the second semiconductor layer made of SiGe is provided below the gate electrode, the threshold voltage of the P-type FET can be lowered as compared with the case where the gate electrode is provided on the silicon substrate.
本発明の一例に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲルマニウムを含有する第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層上に前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層上にゲート絶縁膜を間に挟んでゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記第2の半導体層にp型不純物イオンを注入しエクステンション注入領域を形成する工程と、前記半導体基板に熱処理を加えることで前記エクステンション注入領域内の不純物を活性化させ、前記第2の半導体層のうち前記ゲート電極の両側方に位置する領域にp型のエクステンション領域を形成する工程とを備えている。 A method for manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention includes: a step of forming a first semiconductor layer containing germanium on a semiconductor substrate; and a lower concentration than the first semiconductor layer on the first semiconductor layer. Forming a second semiconductor layer containing germanium, forming a gate electrode on the second semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween, and using the gate electrode as a mask, A step of implanting p-type impurity ions into the semiconductor layer to form an extension implantation region; and applying heat treatment to the semiconductor substrate to activate impurities in the extension implantation region, so that the gate of the second semiconductor layer is activated. Forming a p-type extension region in regions located on both sides of the electrode.
この方法によれば、Geを含む第1の半導体層と、第1の半導体層よりも低濃度のGeを含む第2の半導体層を設けることで、n型不純物領域を形成するためのn型不純物が製造工程中に第2の半導体層のうちゲート電極の下方に位置する部分に拡散するのを抑えることができる。また、エクステンション注入領域中のp型不純物が第1の半導体層中に拡散するのを抑えることで、エクステンション領域のn型不純物領域との接合部の深さを浅くすることができ、短チャネル効果が抑制された半導体装置を製造することが可能となる。このため、ゲート長を短くした場合でも、Geを含む第2の半導体層をチャネルとして用いることによるしきい値電圧低減効果を発揮させることができる。 According to this method, an n-type impurity region for forming an n-type impurity region is provided by providing a first semiconductor layer containing Ge and a second semiconductor layer containing Ge at a lower concentration than the first semiconductor layer. Impurities can be prevented from diffusing into a portion of the second semiconductor layer located below the gate electrode during the manufacturing process. Further, by suppressing the p-type impurity in the extension implantation region from diffusing into the first semiconductor layer, the depth of the junction between the extension region and the n-type impurity region can be reduced, and the short channel effect can be achieved. It is possible to manufacture a semiconductor device in which the above is suppressed. For this reason, even when the gate length is shortened, the effect of reducing the threshold voltage by using the second semiconductor layer containing Ge as a channel can be exhibited.
本発明の一例に係る半導体装置によれば、P型FETにおいて、逆短チャネル特性の発生を抑制しつつ、短チャネル特性の改善が可能となるので、Geを含む半導体層をチャネルとして用いることによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長を短くした場合にも維持することが可能になる。 According to the semiconductor device according to the example of the present invention, in the P-type FET, it is possible to improve the short channel characteristic while suppressing the occurrence of the reverse short channel characteristic. Therefore, by using the semiconductor layer containing Ge as the channel. The threshold voltage reduction effect can be maintained even when the gate length is shortened.
図1(a)は、本発明の一例である実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 FIG. 1A is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment which is an example of the present invention.
本実施形態の半導体装置は、P型FET領域とN型FET領域とが形成された半導体基板100と、半導体基板100のP型FET領域に形成されたnウェル領域100aと、nウェル領域100aのうちの素子分離領域101に囲まれた部分である活性領域102aと、半導体基板100のN型FET領域に形成されたpウェル領域100bと、pウェル領域100bのうちの素子分離領域101に囲まれた部分である活性領域102bと、半導体基板100のP型FET領域上(活性領域102a上)に設けられたP型FETと、半導体基板100のN型FET領域上(活性領域102b上)に設けられたN型FETとを備えている。ここで、活性領域102aは、半導体基板100に形成されたnウェル領域100aと、nウェル領域100a上に形成されたゲルマニウム(Ge)を含有する第1の半導体層103と、第1の半導体層103上に形成され、第1の半導体層103よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層104とを有している。また、活性領域102bは半導体基板100に形成されたpウェル領域100bを有している。
The semiconductor device of this embodiment includes a
P型FETは、活性領域102aにおける第2の半導体層104上にゲート絶縁膜107aを間に挟んで形成されたゲート電極110aと、ゲート電極110aの側面上に形成されたサイドウォールスペーサ113aと、第2の半導体層104のうちゲート電極110aの両側方に位置する部分に形成されたp型エクステンション領域111aと、少なくとも活性領域102aにおける第1の半導体層103内に設けられ、且つp型エクステンション領域111aの下に形成されたn型不純物領域152と、活性領域102aのうちゲート電極110aの両側方であって、ゲート電極110aから見てp型エクステンション領域111aの外側に位置する部分に形成されたp型ソース/ドレイン領域114aとを有している。
The P-type FET includes a
なお、本明細書中で「ソース/ドレイン領域」とは、「ソース領域又はドレイン領域」の意味であり、ゲート電極を挟んで設けられたソース/ドレイン領域の一方がソース領域であれば他方がドレイン領域となり、一方がドレイン領域であれば他方がソース領域となる。p型ソース/ドレイン領域114aのp型不純物濃度はp型エクステンション領域111aよりも高濃度のp型不純物を含んでいる。
Note that in this specification, “source / drain region” means “source region or drain region”. If one of the source / drain regions provided with the gate electrode interposed therebetween is a source region, the other is If one is a drain region, the other is a source region. The p-type impurity concentration of the p-type source /
第1の半導体層103中のGeの原子濃度(結晶格子を構成する原子中のGe原子の100分率)は例えば50%であり、第2の半導体層104中のGeの原子濃度は例えば25%である。以下、本明細書で単に「Geの濃度」という場合は、Geの原子濃度を意味するものとする。
The atomic concentration of Ge in the first semiconductor layer 103 (100 fraction of Ge atoms in atoms constituting the crystal lattice) is, for example, 50%, and the atomic concentration of Ge in the
ゲート絶縁膜107aは例えば膜厚が1nmのシリコン酸化膜105aと、シリコン酸化膜105a上に設けられ、膜厚が2nmである高誘電率絶縁膜106aとで構成されている。高誘電率絶縁膜106aは例えばハフニウム(Hf)酸化物等の高誘電率絶縁体である金属酸化物等で構成されている。ここで、「高誘電率絶縁体」とは、シリコン窒化膜よりも誘電率が高い物質を意味するものとする。
The
ゲート電極110aは、ゲート絶縁膜107a上に設けられた金属または導電性の金属化合物からなる下部ゲート電極108aと、下部ゲート電極108a上に設けられたポリシリコン等からなる上部ゲート電極109aとで構成されている。下部ゲート電極108aは例えば窒化チタン(TiN)等で構成されている。下部ゲート電極108aの膜厚は例えば10nm程度であり、上部ゲート電極109aの膜厚は例えば100nm程度である。ゲート電極110aのゲート長方向の幅は40nm程度であり、サイドウォールスペーサ113aの幅は例えば40nm程度である。
The
p型エクステンション領域111aはサイドウォールスペーサ113aの直下に位置するとともに、平面視においてゲート電極110aのゲート長方向の端部と重なっている。
The p-
n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下に位置する部分はn型ポケット領域112aとなっている。n型ポケット領域112aは第1の半導体層103中でp型エクステンション領域111aよりも内側まで拡がっており、且つ第2の半導体層104の下部にまで拡がっている。n型不純物領域152のうちゲート電極110aの直下方に位置する部分(すなわちn型下層SiGe層103a)は、n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下で且つ第1の半導体層103内に設けられた部分(n型ポケット領域112a)よりもn型不純物濃度が低くなっている。また、n型ポケット領域112aのうち第2の半導体層104内に設けられた部分のn型不純物濃度は、n型ポケット領域112aのうちp型エクステンション領域111aの下で、且つ、第1の半導体層103内に設けられた部分のn型不純物濃度よりも低くなっている。なお、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとの接合界面は、第2の半導体層104の上面から例えば深さ20nmの位置にある。
A portion of the n-
また、第2の半導体層104のうちゲート電極110aの直下に位置する部分は、n型下層SiGe層103aと同程度の濃度でn型不純物を含むn型上層SiGe層104aとなっており、このn型上層SiGe層104aは、P型FETの動作時にはチャネル領域となる。
Further, a portion of the
n型ポケット領域112aのうち第1の半導体層103に設けられた部分のn型不純物濃度は例えば3×1018atoms/cm3であり、n型下層SiGe層103a及びn型上層SiGe層104aのn型不純物濃度は例えば1×1017atoms/cm3である。なお、n型ポケット領域112aのうち第1の半導体層103内で且つp型エクステンション領域111aの下に位置する部分には、n型不純物の濃度ピークがある。
The n-type impurity concentration of the portion of the n-
一方、半導体基板100のN型FET領域における活性領域102bにはSiGe層等のGeを含む半導体層は設けられていない。
On the other hand, the
N型FETは、活性領域102b上にゲート絶縁膜107bを間に挟んで形成されたゲート電極110bと、ゲート電極110bの側面上に形成されたサイドウォールスペーサ113bと、活性領域102b(半導体基板100)のうちゲート電極110bの両側方に位置する部分に形成されたn型エクステンション領域111bと、活性領域102bのうちn型エクステンション領域111bの下に位置する部分に形成されたp型ポケット領域112bと、活性領域102bのうちゲート電極110bの両側方であって、ゲート電極110bから見てn型エクステンション領域111bの外側に位置する部分に形成されたn型ソース領域/ドレイン領域114bとを有している。
The N-type FET includes a
図1(a)に示す例では活性領域102bのうちゲート電極110bの直下部分がチャネル領域となる。
In the example shown in FIG. 1A, a portion of the
ゲート絶縁膜107bはシリコン酸化膜105bと、シリコン酸化膜105b上に設けられ、金属酸化物等からなる高誘電率絶縁膜106bとで構成されている。
The
ゲート電極110bは、ゲート絶縁膜107b上に設けられた金属または導電性の金属化合物からなる下部ゲート電極108bと、下部ゲート電極108b上に設けられたポリシリコン等からなる上部ゲート電極109bとで構成されている。下部ゲート電極108bは例えばTiN等で構成されている。
The
図1(b)は、本実施形態の半導体装置と従来の半導体装置におけるゲート長としきい値電圧の関係を示す図である。同図では、(1)図1(a)に示す積層SiGe層上にゲート電極を設けた本実施形態の半導体装置と、(2)単層SiGe層上にゲート電極を設けた従来の半導体装置と、(3)一般的なSi基板上にゲート電極を設けた従来の半導体装置とについてのシミュレーション結果を示している。 FIG. 1B is a diagram showing the relationship between the gate length and the threshold voltage in the semiconductor device of this embodiment and the conventional semiconductor device. In this figure, (1) the semiconductor device of this embodiment in which a gate electrode is provided on the laminated SiGe layer shown in FIG. 1A, and (2) a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a single-layer SiGe layer. And (3) a simulation result for a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a general Si substrate.
本実施形態の半導体装置では、SiGeで構成されたチャネル領域を備えているので、図1(b)に示すように、同じゲート長(Lg)で比べた場合のしきい値電圧が大きく低減されている。このため、半導体装置のオン電流を向上させることができる。 Since the semiconductor device of this embodiment has a channel region made of SiGe, the threshold voltage when compared with the same gate length (Lg) is greatly reduced as shown in FIG. ing. For this reason, the on-current of the semiconductor device can be improved.
また、P型FETにn型ポケット領域112aを設けているので、ソース−ドレイン間のリーク電流は効果的に低減されている。特に、p型不純物(例えばボロン)はSiGe層中のGe濃度が高い方が拡散しにくくなっている。本実施形態のP型FETではp型エクステンション領域111aに含まれるp型不純物の拡散がGe濃度の高い第1の半導体層103中では抑制されるので、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとのPN接合位置を浅くすることができる。このため、P型FETにおける短チャネル特性は従来の単層SiGe層を有する半導体装置に比べて大きく改善されている。
In addition, since the n-
また、SiGe層におけるn型不純物の拡散係数は、SiGe層中のGe濃度が増加するほど大きくなる。ここで、本実施形態の半導体装置では、積層SiGe層を有し、チャネル領域を含む第2の半導体層104のGe濃度が第1の半導体層103のGe濃度よりも低くなっているので、n型ポケット領域112aを形成するために注入した砒素(As)やリン(P)などの不純物が熱処理の際にチャネル領域に拡散しにくくなっている。このため、図1(b)の線(1)に示すように、従来の単層SiGe層を有する半導体装置(線(2))に比べ、広いゲート長の範囲でしきい値電圧の変動が小さくなっている。
Further, the diffusion coefficient of the n-type impurity in the SiGe layer increases as the Ge concentration in the SiGe layer increases. Here, in the semiconductor device of this embodiment, since the Ge concentration of the
このように、本実施形態の半導体装置では、n型ポケット領域112aを主にGe濃度の高い第1の半導体層103内に形成することによってP型FETにおける短チャネル効果の発生を抑えつつ、ゲート長が短い範囲でもしきい値電圧の変動を小さくすることができる。このため、本実施形態の半導体装置では、多数のP型FETを設けた場合に、ゲート長のばらつきが生じてもしきい値電圧のばらつきが生じにくくなっており、しきい値電圧の制御が容易となっている。また、P型FETにSiGeチャネルを用いたことによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長が小さいP型FETにおいても維持することが可能となっている。
As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the n-
なお、各層の膜厚や第1の半導体層103、第2の半導体層104中のGe濃度などは上述の例に限定されず、設定したいしきい値電圧や短チャネル特性の劣化の度合に合わせて任意に選択することができる。
Note that the film thickness of each layer and the Ge concentration in the
例えば、第1の半導体層103中のGe濃度は0%を越え、且つ100%以下であればよく、第2の半導体層104中のGe濃度は第1の半導体層103のGe濃度より小さければ、0%以上で且つ100%未満であってよい。ただし、しきい値電圧低減の観点から、第2の半導体層104のGe濃度は10%以上であることが好ましい。また、ゲート電極110aの下方領域へのポケット不純物(n型ポケット領域112aを形成するために注入された不純物)の拡散抑制や、p型エクステンション領域111aのn型ポケット領域112aとの接合位置を浅くする観点から、第1の半導体層103中のGe濃度は第2の半導体層104中のGe濃度よりも10%以上高いことが望ましい。また、第1の半導体層103の膜厚は、ポケット不純物による短チャネル特性の抑制効果を保つため、5nm以上20nm以下の範囲とすることが望ましい。
For example, the Ge concentration in the
また、上述の例では、p型エクステンション領域111aを第2の半導体層104内に形成し、n型ポケット領域112aの不純物濃度のピークを第1の半導体層103内に形成するが、p型エクステンション領域111aの形成位置及びn型ポケット領域112aの不純物濃度のピーク位置はこれに限られない。例えば、p型エクステンション領域111aが第2の半導体層104内だけでなく、第1の半導体層103内にも形成されていてもよいし、n型ポケット領域112aの不純物濃度のピーク位置が第2の半導体層104内にあってもよい。後者の場合においても、従来の半導体装置に比べてポケット領域形成用のn型不純物はゲート電極110aの下方領域へと拡散しにくくなるため、逆短チャネル効果は抑えられる。
In the above example, the p-
なお、n型ポケット領域112aに導入されているn型不純物は、ヒ素又はリン、あるいはこの両方であってよい。p型エクステンション領域111a、p型ソース/ドレイン領域114aに含まれるp型不純物は例えばボロンであってよい。
Note that the n-type impurity introduced into the n-
また、上述の例では、第2の半導体層104上にシリコン酸化膜105aが形成されているが、第2の半導体層104上に例えばエピタキシャル成長させた薄いSi層を形成した後、当該Si層の上部を酸化することでシリコン酸化膜105aを形成してもよい。Si層を形成することにより、シリコン酸化膜105aの膜質を向上させることができ、移動度劣化などのP型FETの特性劣化を抑制することが可能となる。ただし、Si層を厚くし過ぎるとSiGeで構成された第2の半導体層だけでなくSi層中にもチャネルが形成され、しきい値電圧低減効果が減少する。このため、Si層の膜厚は0nmを越え、且つ3nm以下であることが望ましい。
In the above example, the
また、第1の半導体層103、第2の半導体層104の歪状態については特に限定しないが、しきい値電圧を効果的に低減させるため、両層には適切な歪が印加されていることが望ましい。このような歪みは種々の方法で印加することができるが、例えば第1の半導体層103及び第2の半導体層104をシリコンからなる半導体基板1上にエピタキシャル成長させることでSiGe層の格子を歪ませることができる。
In addition, the strain state of the
また、シリコン酸化膜105a、高誘電率絶縁膜106a、下部ゲート電極108a、上部ゲート電極109a、サイドウォールスペーサ113a等の構成材料、膜厚は上記で説明した内容に限定されない。これらの部材の構成は、本実施形態の構成によって得られる効果には影響を与えない。
Further, the constituent materials and film thicknesses of the
−本実施形態に係る半導体装置の製造方法−
図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)、及び図4(a)〜(c)は、図1に示す半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。図2(a)〜(c)では理解しやすいようにCMOS構造を形成する際のP型FET領域とN型FET領域の両方を示すが、図3(a)〜(c)及び図4(a)〜(c)はP型FET領域のみを示す。
-Manufacturing method of semiconductor device according to this embodiment-
2A to 2C, 3A to 3C, and 4A to 4C are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. . 2A to 2C show both the P-type FET region and the N-type FET region when forming the CMOS structure for easy understanding, but FIGS. 3A to 3C and FIG. a) to (c) show only the P-type FET region.
まず、図2(a)に示すように、シリコン等からなり、リンやヒ素などのn型不純物を含む半導体基板100にnウェル領域100a、pウェル領域100bを形成した後、STI(Shallow Trench Isolation)法などにより素子分離領域101を形成することで、活性領域102a、102bを形成する。
First, as shown in FIG. 2A, after forming an n-
次いで、半導体基板100上の全面に保護膜150を形成する。保護膜150としては、例えば厚さ10nm程度のシリコン酸化膜が用いられる。続いて、公知のリソグラフィ及びフッ酸等によるエッチングにより、保護膜150のP型FET領域上部分に開口を設ける。この保護膜150はSiGe層の成長を阻害する目的で形成される。
Next, a
次に、図2(b)に示すように、保護膜150をマスクとしてSiエッチング151を行い、後に形成するSiGe層の厚み分(例えば30nm)程度半導体基板100を薄くする。具体的には、塩化水素(HCl)雰囲気中850度で半導体基板100を熱処理することで、露出しているP型FET領域をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 2B, Si etching 151 is performed using the
次に、図2(c)に示すように、半導体基板100(活性領域102a)のP型FET領域上にGe濃度が50%でノンドープのSiGeからなる第1の半導体層103と、Ge濃度が25%でノンドープの第2の半導体層104とを形成する。第1の半導体層103の膜厚は例えば10nmとし、第2の半導体層104の膜厚は例えば20nmとする。ここで、第1の半導体層103及び第2の半導体層104を構成するSiGe層はCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによってエピタキシャル成長される。
Next, as shown in FIG. 2C, a
SiGe層を形成する際には、シリコン系の原料ガスとして、例えばモノシラン(SiH4)を用いる。また、ゲルマニウム系の原料ガスとしては、例えばモノゲルマン(GeH4)を用いる。それらの混合ガスを用い、水素、あるいは窒素ガス雰囲気中550℃の条件下でSiGe層を堆積する。また、Ge濃度の制御は、堆積中のゲルマニウム系の原料ガスの流量を制御することで調整する。ゲルマニウム系の原料ガスの流量を増大させることで、より高濃度にGeを含有するSiGe層が形成される。 When forming the SiGe layer, for example, monosilane (SiH 4 ) is used as a silicon-based source gas. As germanium-based source gas, for example, monogermane (GeH 4 ) is used. Using these mixed gases, a SiGe layer is deposited under conditions of 550 ° C. in an atmosphere of hydrogen or nitrogen gas. The Ge concentration is adjusted by controlling the flow rate of the germanium-based source gas during deposition. By increasing the flow rate of the germanium-based source gas, a SiGe layer containing Ge at a higher concentration is formed.
次に、図3(a)に示すように、フッ酸処理により保護膜150(図示せず)を除去した後、第2の半導体層104の表面をオゾンで酸化させて膜厚が1nmのシリコン酸化膜105を形成し、シリコン酸化膜105上に膜厚が2nmのハフニウム酸化物等で構成された高誘電率絶縁膜106を形成する。続いて、高誘電率絶縁膜106上に膜厚が10nmのTiN膜108を形成し、その上に、膜厚が100nmのポリシリコン膜109を形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, after the protective film 150 (not shown) is removed by hydrofluoric acid treatment, the surface of the
その後、図3(b)に示すように、レジストパターニング、ドライエッチングを行うことで、シリコン酸化膜105a及び高誘電率絶縁膜106aで構成されたゲート絶縁膜107aと、下部ゲート電極108a及び上部ゲート電極109aで構成されたゲート電極110aとを形成する。ゲート電極110aのゲート寸法(ゲート長)は例えば40nmとする。
Thereafter, as shown in FIG. 3B, resist patterning and dry etching are performed, so that the
次に、図3(c)に示すように、ゲート電極110aをマスクとして、第2の半導体層104中にボロンを注入することでp型エクステンション注入領域111Aを形成する。また、ゲート電極110aをマスクとして第1の半導体層103中にヒ素を注入することでn型ポケット注入領域112Aを形成する。p型エクステンション注入領域111Aの形成とn型ポケット注入領域112Aの形成はどちらを先に行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 3C, p-type
本工程において、ボロンのイオン注入は、加速エネルギー0.5keV、ドーズ量5×1014atoms/cm2、チルト角0度の条件下(注入深さRp=4nm)で行う。また、ヒ素のイオン注入は、加速エネルギー25keV、ドーズ量3×1013atoms/cm2、チルト角15度、4回転の条件下(注入深さRp=25nm)で行う。 In this step, boron ion implantation is performed under the conditions of an acceleration energy of 0.5 keV, a dose of 5 × 10 14 atoms / cm 2 , and a tilt angle of 0 degree (implantation depth Rp = 4 nm). The arsenic ion implantation is performed under the conditions of an acceleration energy of 25 keV, a dose amount of 3 × 10 13 atoms / cm 2 , a tilt angle of 15 degrees, and four rotations (implantation depth Rp = 25 nm).
次いで、図4(a)に示すように、基板(作製中の半導体装置)上に膜厚が40nm程度のシリコン窒化膜を形成した後、ドライエッチングによって全面エッチバックをすることで、ゲート電極の側面上に幅40nmのシリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサ113aを形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, after a silicon nitride film having a thickness of about 40 nm is formed on the substrate (semiconductor device being fabricated), the entire surface is etched back by dry etching, so that the gate electrode is formed. A
次に、図4(b)に示すように、ゲート電極110a及びサイドウォールスペーサ113aをマスクとしてp型不純物を活性領域102aに注入することで、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。注入用の不純物としてボロンを用い、加速エネルギー1.5keV、ドーズ量4×1015atoms/cm2の条件下でイオン注入を行うことで、第1の半導体層103、第2の半導体層104及び半導体基板100の上部にp型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, p-type source /
次に、図4(c)に示すように、1000℃、0秒の条件下でスパイクアニールを行うことで、イオン注入により導入された不純物を活性化させる。このアニールにより、p型エクステンション注入領域111A中のボロンが拡散してp型エクステンション領域111aが形成され、n型ポケット注入領域112A中のヒ素が拡散してp型エクステンション領域111aと接するn型ポケット領域112aが形成される。また、p型ソース/ドレイン注入領域114Aはp型ソース/ドレイン領域114aとなる。なお、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとの接合部の第2の半導体層104の上面からの深さは約20nmとなる。
Next, as shown in FIG. 4C, spike annealing is performed under the conditions of 1000 ° C. and 0 seconds to activate the impurities introduced by ion implantation. By this annealing, boron in the p-type
本工程では、Ge濃度が高い第1の半導体層103によってボロンの拡散が抑制されるため、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとの接合部の深さは第2の半導体層104の膜厚と同程度になる。また、n型ポケット注入領域112A中のヒ素は、第2の半導体層104によって上方への拡散が抑えられ、主に第1の半導体層103中を拡散する。
In this step, since the diffusion of boron is suppressed by the
なお、図2(c)に示すエピタキシャル成長の際に加わる熱と、本工程の熱処理とによってnウェル領域100aやn型ポケット注入領域112Aに含まれるn型不純物が第1の半導体層103のうちゲート電極110aの下方に位置する部分に拡散することで、n型下層SiGe層103aが形成され、n型不純物が第2の半導体層104のうちゲート電極110aの下方に位置する部分に拡散することで、n型上層SiGe層104aが形成される。
Note that the n-type impurity contained in the n-
このように、本実施形態の方法では、半導体基板100上に下層のGe濃度が高く、上層のGe濃度が低い積層SiGe層を形成する。これにより、活性化アニール中に、ポケット不純物がゲート電極110aの下方領域へと拡散するのが抑制される。また、エクステンション不純物の下層のSiGe層(第1の半導体層103)への拡散は抑制されるので、p型エクステンション領域111aの接合深さを上層のSiGe層(第2の半導体層104)の膜厚と同程度まで浅くすることが可能となる。その結果、逆短チャネル特性の発生を抑制しつつ、短チャネル特性の改善が可能となり、SiGeチャネルを適用することによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長の短いトランジスタにおいても維持することが可能になる。
Thus, in the method of this embodiment, a stacked SiGe layer having a lower Ge concentration and a lower upper Ge concentration is formed on the
なお、以上で説明した第1の半導体層103や第2の半導体層104の形成条件、p型エクステンション注入領域111A、n型ポケット注入領域112A、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する際のイオン注入条件、活性化アニール条件などは一例であって、これらの条件に限定されるものではない。
The formation conditions of the
なお、上記の例では、p型エクステンション注入領域111A、n型ポケット注入領域112Aを形成する目的で、それぞれ、ボロン、ヒ素をイオン注入しているが、これらに限らない。p型エクステンション領域111a形成用の不純物としてボロン以外にもBF2が挙げられる。また、n型ポケット領域112a形成用の不純物として、リンが挙げられる。
In the above example, boron and arsenic are ion-implanted for the purpose of forming the p-type
また、上記説明では、保護膜150としてシリコン酸化膜を例に挙げているが、SiGe層の堆積を阻害し、容易に除去できる膜であればこれに限らない。例えば、保護膜150としてシリコン窒化膜を用いることも可能である。この場合、熱燐酸を用いることで保護膜150の除去が可能になる。
In the above description, a silicon oxide film is used as an example of the
また、図2(b)に示す工程では、半導体基板100のP型FET領域をエッチングする方法として、半導体基板100を高温下HCl雰囲気中に暴露する例に挙げているが、これに限らない。例えば、反応性イオンエッチング法を用いて半導体基板100をエッチングしてもよい。
In the step shown in FIG. 2B, the method of etching the P-type FET region of the
なお、第2の半導体層104の上にシリコン酸化膜を形成する例について説明したが、第2の半導体層104上にCVD法などによりSi層を形成してもよい。Si層を形成することで、第2の半導体層104上にシリコン酸化膜105aを形成する場合に比べてシリコン酸化膜105aの膜質を向上させることができ、移動度の劣化等を抑制することができる。ただし、Si層が厚すぎるとSi層中にチャネルが形成されてしきい値電圧低減効果が減少するため、Si層の膜厚は3nm以下であることが望ましい。
Note that although an example in which a silicon oxide film is formed over the
なお、ここではP型FETの製造方法について説明したが、CMOS構造を形成する場合、図1(a)に示すように公知のシリコンチャネルを有するN型FETをP型FETと同一基板上に形成することが望ましい。 Although a method for manufacturing a P-type FET has been described here, when a CMOS structure is formed, an N-type FET having a known silicon channel is formed on the same substrate as the P-type FET as shown in FIG. It is desirable to do.
−n型不純物領域の変形例−
図1(a)に示す半導体装置は、n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下に位置する部分に含まれるn型不純物の濃度が、n型不純物領域152のうちゲート電極110aの下方に位置する部分に含まれるn型不純物の濃度より高い。これに対し、n型不純物領域152のうち第1の半導体層103内に設けられた部分の不純物濃度がほぼ均一な半導体装置について以下説明する。
-Modification of n-type impurity region-
In the semiconductor device shown in FIG. 1A, the concentration of the n-type impurity contained in the portion of the n-
図5(a)は、図1(a)に示す半導体装置の変形例を示す断面図である。同図において、図1に示す半導体装置と同一又は対応する層又は部材には図1と同じ符号を付している。 FIG. 5A is a cross-sectional view showing a modification of the semiconductor device shown in FIG. In this figure, the same or corresponding layers or members as those of the semiconductor device shown in FIG.
図5(a)に示すように、本変形例に係る半導体装置では、図1(a)に示す半導体装置と同様に、半導体基板100の活性領域102a上にSiGeからなる第1の半導体層103と、第1の半導体層103よりもGe濃度が低いSiGeからなる第2の半導体層104とが設けられている。しかし、n型不純物領域152の第2の半導体層104及び半導体基板100への拡がりは図1(a)に示す半導体装置よりも小さい。これは、後述のように、CVD法を用いたin-situドーピングを行うため、制御性良く不純物を導入できるからである。また、n型不純物領域152のうち第1の半導体層103内に形成された部分に含まれるn型不純物の濃度は熱拡散によるばらつきが多少あるものの、ほぼ均一になっている。特に、n型不純物領域152のうち第1の半導体層103内であって、且つゲート電極110aの下方に位置する部分の不純物濃度は均一になっている。
As shown in FIG. 5A, in the semiconductor device according to this modification, as in the semiconductor device shown in FIG. 1A, the
第1の半導体層103のn型不純物濃度は例えば3×1018atoms/cm3であり、n型上層SiGe層204中のn型不純物濃度は、例えば1×1017atoms/cm3である。このように、第2の半導体層104のうちのゲート電極110aの下方に位置する部分であるn型上層SiGe層204中のn型不純物濃度は第1の半導体層103中のn型不純物濃度より低くてよい。n型不純物領域152(及び第1の半導体層103)に含まれるn型不純物は例えばヒ素であるが、リンであってもよい。
The n-type impurity concentration of the
図5(b)は、本変形例に係る半導体装置と従来の半導体装置におけるゲート長としきい値電圧の関係を示す図である。同図では、(1)図5(a)に示す積層SiGe層上にゲート電極を設けた本変形例の半導体装置と、(2)単層SiGe層上にゲート電極を設けた従来の半導体装置と、(3)一般的なSi基板上にゲート電極を設けた従来の半導体装置とについてのシミュレーション結果を示している。 FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the gate length and the threshold voltage in the semiconductor device according to this variation and the conventional semiconductor device. In this figure, (1) the semiconductor device of this modification in which a gate electrode is provided on the laminated SiGe layer shown in FIG. 5A, and (2) a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a single-layer SiGe layer. And (3) a simulation result for a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a general Si substrate.
この構成においても、SiGeで構成された第2の半導体層104内にチャネルが形成されるので、Siチャネルを有する半導体装置に比べてしきい値電圧を大きく低減できる(図5(b)参照)。また、n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下に位置する部分は、図1(a)に示すn型ポケット領域112aと同様に、ゲート長の短縮に伴うしきい値電圧の急激な低下やソース−ドレイン間のリーク電流の発生などの短チャネル効果を効果的に抑えることができる。このことは、図5(b)で、ゲート長Lgが所定値以上であれば、広いゲート長範囲でしきい値電圧の変動が従来の半導体装置よりも非常に小さくなっていることからも分かる。
Also in this configuration, since the channel is formed in the
また、第2の半導体層104のGe濃度は第1の半導体層103のGe濃度より低くなっているため、n型不純物の第2の半導体層104内への拡散量は少なくなっており、図1(a)に示す半導体装置と同様に逆短チャネル特性は改善されている(図5(b)参照)。さらに、p型不純物の第1の半導体層103への拡散量も比較的少なくなっているので、p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の深さを従来の半導体装置に比べて浅くすることができる。
In addition, since the Ge concentration of the
なお、本変形例に係る半導体装置において、ここで説明した以外の構成は図1(a)に示す半導体装置と実質的に同じである。例えば、ゲート絶縁膜107aは膜厚が1nmのシリコン酸化膜105aと膜厚が2nmの高誘電率絶縁膜106aとで構成され、ゲート電極110aはTiNからなり、膜厚が10nmの下部ゲート電極108aと、ポリシリコンからなり、膜厚が100nmの上部ゲート電極109aとで構成されている。
Note that the semiconductor device according to this modification has substantially the same configuration as that of the semiconductor device shown in FIG. For example, the
ゲート長方向のゲート電極110aの幅は40nmであり、ゲート電極110aの側面上に設けられたサイドウォールスペーサ113aの幅は40nmである。また、第1の半導体層103中のGe濃度は50%であり、第2の半導体層104中のGe濃度は25%である。
The width of the
第1の半導体層103の膜厚は例えば10nmであり、第2の半導体層104の膜厚は例えば20nmである。p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の深さは、第2の半導体層104の上面から20nmであり、第2の半導体層104の膜厚と同程度となっている。
The film thickness of the
−変形例に係る半導体装置の製造方法−
図6(a)〜(c)及び図7(a)〜(c)は、本変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。
-Manufacturing method of semiconductor device according to modification-
6A to 6C and FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to this modification.
まず、図2(a)に示す工程と同様の工程により、シリコンなどからなるn型の半導体基板100にnウェル領域100aを形成した後、素子分離領域(図示せず)を形成することで、活性領域102aを形成する。
First, by forming an n-
次に、図6(a)に示すように、半導体基板100の活性領域102a上にヒ素が例えば3×1018atoms/cm3の濃度で添加され、SiGeからなり、膜厚が10nmの第1の半導体層103と、ノンドープのSiGeからなり、膜厚が20nmの第2の半導体層104とを順次エピタキシャル成長させる。第1の半導体層103中のGe濃度は例えば50%とし、第2の半導体層104中のGe濃度は25%とする。第1の半導体層103及び第2の半導体層104のエピタキシャル成長は例えばCVD法によって行う。
Next, as shown in FIG. 6A, arsenic is added to the
シリコン系の原料ガスとして、例えばモノシラン(SiH4)を用いる。また、ゲルマニウム系の原料ガスとしては、例えばモノゲルマン(GeH4)を用いる。それらの混合ガスを用い、水素、あるいは窒素ガス雰囲気中550℃の条件下でSiGe層を堆積する。また、Ge濃度の制御は、堆積中のゲルマニウム系の原料ガスの流量を制御することで調整する。ゲルマニウム系の原料ガスの流量を増大させることで、より高濃度にGeを含有するSiGe層が形成される。 For example, monosilane (SiH 4 ) is used as the silicon-based source gas. As germanium-based source gas, for example, monogermane (GeH 4 ) is used. Using these mixed gases, a SiGe layer is deposited under conditions of 550 ° C. in an atmosphere of hydrogen or nitrogen gas. The Ge concentration is adjusted by controlling the flow rate of the germanium-based source gas during deposition. By increasing the flow rate of the germanium-based source gas, a SiGe layer containing Ge at a higher concentration is formed.
また、第1の半導体層103へのn型不純物導入は、当該CVD法を用いたin-situドーピングにより行われる。具体的には、第1の半導体層103を構成するSiGe層の堆積時にモノシラン、モノゲルマンに加え、アルシン(AsH3)をドーピングガスとして添加することで、ヒ素を第1の半導体層103中にドーピングする。
In addition, introduction of n-type impurities into the
次に、図6(b)に示すように、ゲート絶縁膜107a及びゲート電極110aを形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, a
具体的には、第2の半導体層104の表面をオゾンで酸化させて膜厚が1nmのシリコン酸化膜を形成し、シリコン酸化膜上に膜厚が2nmのハフニウム酸化物等で構成された高誘電率絶縁膜を形成する。続いて、高誘電率絶縁膜上に膜厚が10nmのTiN膜を形成し、その上に、膜厚が100nmのポリシリコン膜を形成する。
Specifically, the surface of the
その後、レジストパターニング、ドライエッチングを行うことで、シリコン酸化膜105a及び高誘電率絶縁膜106aで構成されたゲート絶縁膜107aと、下部ゲート電極108a及び上部ゲート電極109aで構成されたゲート電極110aとを形成する。ゲート電極110aのゲート寸法(ゲート長)は例えば40nmとする。
After that, by performing resist patterning and dry etching, a
次に、図6(c)に示すように、ゲート電極110aをマスクとして、第2の半導体層104中にボロンを注入することでp型エクステンション注入領域111Aを形成する。本工程において、ボロンのイオン注入は、加速エネルギー0.5keV、ドーズ量5×1014atoms/cm2、チルト角0度の条件下(注入深さRp=4nm)で行う。これにより、p型エクステンション注入領域は上層部の第2の半導体層104中に主に形成される。
Next, as shown in FIG. 6C, by using the
次いで、図7(a)に示すように、基板(作製中の半導体装置)上に膜厚が40nm程度のシリコン窒化膜を形成した後、ドライエッチングによって全面エッチバックをすることで、ゲート電極の側面上に幅40nmのシリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサ113aを形成する。
Next, as shown in FIG. 7A, after a silicon nitride film having a thickness of about 40 nm is formed on the substrate (semiconductor device being fabricated), the entire surface is etched back by dry etching, so that the gate electrode is formed. A
次に、図7(b)に示すように、ゲート電極110a及びサイドウォールスペーサ113aをマスクとしてp型不純物を活性領域102aに注入することで、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。注入用の不純物としてボロンを用い、加速エネルギー1.5keV、ドーズ量4×1015atoms/cm2の条件下でイオン注入を行うことで、第1の半導体層103、第2の半導体層104及び半導体基板100の上部にp型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a p-type source / drain implanted
次に、図7(c)に示すように、1000℃、0秒の条件下でスパイクアニールを行うことで、イオン注入により導入された不純物を活性化させる。このアニールにより、p型エクステンション注入領域111A中のボロンが拡散してp型エクステンション領域111aが形成される。また、p型ソース/ドレイン注入領域114Aはp型ソース/ドレイン領域114aとなる。第1の半導体層103に含まれるn型不純物が周囲に拡散することで、n型不純物領域152が形成される。なお、p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の第2の半導体層104の上面からの深さは第2の半導体層104の膜厚と同程度(例えば約20nm)となる。これは、第1の半導体層103中のGeの濃度が高いので、ボロンの第1の半導体層103への拡散が抑制されるからである。
Next, as shown in FIG. 7C, spike annealing is performed under the conditions of 1000 ° C. and 0 seconds to activate the impurities introduced by ion implantation. By this annealing, boron in the p-type
また、本工程の熱処理によって第2の半導体層104のうちゲート電極110aの直下に位置する部分には、第1の半導体層103からn型不純物が拡散し、n型上層SiGe層204が形成される。
Further, the n-type impurity is diffused from the
以上の方法によれば、図6(a)に示す工程で、SiGe層のうち、第1の半導体層103にのみin-situドーピングによって均一な濃度でn型不純物が導入されるため、注入ばらつきや結晶欠陥の発生がほとんど生じない。そのため、第2の半導体層104の上面部へのn型不純物の拡散が抑えられ、逆短チャネル効果の発生が効果的に防がれている。そのため、ポケット領域として機能するn型不純物領域152を、図1(a)に示す半導体装置に比べて、第2の半導体層104の上面からさらに遠ざけることが可能になる。
According to the above method, in the step shown in FIG. 6A, since the n-type impurity is introduced into the
なお、n型不純物をイオン注入により導入する方法では、ターゲットとなる注入深さ(Rp)に対して深さばらつき(ΔRp)を有し、さらに、イオン注入時のダメージにより半導体基板100中に欠陥を発生させる場合がある。これに対し、本変形例に係る方法では、n型ポケット領域として機能するn型不純物領域152の形成位置のばらつきを抑えることができる。
Note that the method of introducing n-type impurities by ion implantation has a depth variation (ΔRp) with respect to the target implantation depth (Rp), and further defects in the
また、上述のように、p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の深さを浅くすることができるので、短チャネル特性も大きく改善される。このため、SiGe層にチャネルを形成させることによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長が短縮されたトランジスタにおいても維持することが可能になる。
Further, as described above, since the depth of the junction between the p-
なお、各層の膜厚や第1の半導体層103、第2の半導体層104中のGe濃度、n型不純物濃度などは上述の例に限定されず、設定したいしきい値電圧や短チャネル特性の劣化の度合に合わせて任意に選択することができる。
Note that the thickness of each layer, the Ge concentration in the
また、以上の方法によれば、図6(a)に示す工程で、in-situドーピングによって第1の半導体層103中にn型不純物が導入されるので、イオン注入によってn型不純物を導入する場合に比べてn型不純物領域152の位置及び濃度を精度良く制御することが可能になる。その結果、図1(a)に示す半導体装置に比べてより高精度に短チャネル特性が改善されうる。
Further, according to the above method, since the n-type impurity is introduced into the
また、第2の半導体層104の膜厚をp型エクステンション領域111aのn型不純物領域152との接合部の深さと同程度にし、第1の半導体層103中へのエクステンション不純物の拡散を抑制することで、短チャネル特性の更なる改善が可能になる。
In addition, the thickness of the
第1の半導体層103中のGe濃度は0%を越え、且つ100%以下であればよく、第2の半導体層104中のGe濃度は第1の半導体層103のGe濃度より小さければ、0%以上で且つ100%未満であってよい。ただし、しきい値電圧低減の観点から、第2の半導体層104のGe濃度は10%以上であることが好ましい。また、ゲート電極110aの下方領域へのn型不純物の拡散抑制や、p型エクステンション領域111aのn型不純物領域152との接合位置を浅くする観点から、第1の半導体層103中のGe濃度は第2の半導体層104中のGe濃度よりも10%以上高いことが望ましい。また、第1の半導体層103の膜厚は、n型不純物領域152による短チャネル特性の抑制効果を保つため、5nm以上20nm以下の範囲とすることが望ましい。
The Ge concentration in the
また、上述の例では、p型エクステンション領域111aを第2の半導体層104内に形成しているが、p型エクステンション領域111aの形成位置の不純物濃度のピーク位置はこれに限られない。例えば、p型エクステンション領域111aが第2の半導体層104内だけでなく、第1の半導体層103内に形成されていてもよい。
In the above example, the p-
また、上述の方法では、短チャネル効果抑制用のn型不純物が第1の半導体層103内でほぼ均一に含まれている例を説明したが、n型不純物のin-situドーピングとイオン注入とを組み合わせて行ってもよい。この場合、図6(c)に示すp型エクステンション注入領域111Aの形成前後にn型不純物のイオン注入を行えばよい。これにより、n型不純物領域152またはn型ポケット領域の位置や不純物濃度の設定の自由が増し、不純物の分布等を最適化することが容易に可能となる。
In the above-described method, the example in which the n-type impurity for suppressing the short channel effect is substantially uniformly included in the
また、上述の例では、第2の半導体層104上にシリコン酸化膜105aが形成されているが、第2の半導体層104上に例えばエピタキシャル成長させた薄いSi層を形成した後、当該Si層の上にシリコン酸化膜を形成してもよい。Si層を形成することにより、シリコン酸化膜105aの膜質を向上させることができ、移動度劣化などのP型FETの特性劣化を抑制することが可能となる。ただし、Si層を厚くし過ぎるとSiGeで構成された第2の半導体層だけでなくSi層中にもチャネルが形成され、しきい値電圧低減効果が減少する。このため、Si層の膜厚は0nmを越え、且つ3nm以下であることが望ましい。
In the above example, the
また、第1の半導体層103、第2の半導体層104の歪状態については特に限定しないが、しきい値電圧を効果的に低減させるため、両層には適切な歪が印加されていることが望ましい。
In addition, the strain state of the
また、シリコン酸化膜105a、高誘電率絶縁膜106a、下部ゲート電極108a、上部ゲート電極109a、サイドウォールスペーサ113a等の構成材料、膜厚は上記で説明した内容に限定されない。これらの部材の構成は、本実施形態の構成によって得られる効果には影響を与えない。
Further, the constituent materials and film thicknesses of the
なお、上記では、P型FETについて説明を行っているが、CMOS構造を形成する場合は、図1(a)に示す半導体装置と同様、チャネル領域がSiで構成されたN型FETをP型FETと同一の半導体基板上に設けることが望ましい。この場合、図2(a)〜(c)に示す工程によりSiGeで構成された第1の半導体層103及び第2の半導体層104をP型FET領域上に選択的に形成すればよい。
In the above description, the P-type FET has been described. However, when a CMOS structure is formed, an N-type FET having a channel region made of Si is used as a P-type as in the semiconductor device shown in FIG. It is desirable to provide it on the same semiconductor substrate as the FET. In this case, the
なお、以上で説明した第1の半導体層103や第2の半導体層104の形成条件、p型エクステンション注入領域111A、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する際のイオン注入条件、活性化アニール条件などは一例であって、これらの条件に限定されるものではない。
Note that the formation conditions of the
なお、上記説明では、p型エクステンション領域111aを形成するために、ボロンをイオン注入しているが、これ以外のイオンを注入してもよい。ボロンに代えて例えばBF2を注入してもよい。また、第1の半導体層103を形成する際にはアルシンをドーピングガスとして用いているが、これに限らずフォスフィン(PH3)を用いてもよい。
In the above description, boron is ion-implanted to form the p-
以上、説明を行ったように、上述の実施形態及びその変形例に係る半導体装置は、微細化が進んだP型FETを含む集積回路などに利用される。 As described above, the semiconductor device according to the above-described embodiment and its modification is used for an integrated circuit including a P-type FET that has been miniaturized.
100 半導体基板
100a nウェル領域
100b pウェル領域
101 素子分離領域
102a、102b 活性領域
103 第1の半導体層
103a n型下層SiGe層
104 第2の半導体層
104a n型上層SiGe層
105、105a、105b シリコン酸化膜
106、106a、106b 高誘電率絶縁膜
107a、107b ゲート絶縁膜
108 TiN膜
108a、108b 下部ゲート電極
109 ポリシリコン膜
109a、109b 上部ゲート電極
110a、110b ゲート電極
111A p型エクステンション注入領域
111a p型エクステンション領域
111b n型エクステンション領域
112A n型ポケット注入領域
112a n型ポケット領域
112b p型ポケット領域
113a、113b サイドウォールスペーサ
114A p型ソース/ドレイン注入領域
114a p型ソース/ドレイン領域
114b n型ソース領域/ドレイン領域
150 保護膜
151 Siエッチング
152 n型不純物領域
204 n型上層SiGe層
100
Claims (17)
前記Pチャネル型トランジスタは、
前記半導体基板上に形成され、ゲルマニウムを含有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成され、前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に第1のゲート絶縁膜を間に挟んで形成された第1のゲート電極と、
前記第2の半導体層のうち前記第1のゲート電極の両側方に位置する部分に形成されたp型の第1のエクステンション領域と、
少なくとも前記第1の半導体層内に設けられ、且つ前記第1のエクステンション領域の下に形成されたn型不純物領域とを有している半導体装置。 A semiconductor device comprising a P-channel transistor formed on a semiconductor substrate,
The P-channel transistor is
A first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate and containing germanium;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer;
A first gate electrode formed on the second semiconductor layer with a first gate insulating film interposed therebetween;
A p-type first extension region formed in a portion of the second semiconductor layer located on both sides of the first gate electrode;
A semiconductor device having at least an n-type impurity region provided in the first semiconductor layer and formed below the first extension region.
前記n型不純物領域は、一方の前記第1のエクステンション領域の下から前記第1のゲート電極の下方領域を通って他方の前記第1のエクステンション領域の下に亘って設けられており、
前記第1の半導体層のうち前記第1のエクステンション領域の下に位置する部分のn型不純物濃度は、前記第1の半導体層のうち前記第1のゲート電極の下方に位置する部分のn型不純物濃度よりも高い半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The n-type impurity region is provided from under one of the first extension regions through a region under the first gate electrode and under the other first extension region,
The n-type impurity concentration of the portion of the first semiconductor layer located below the first extension region is the n-type impurity concentration of the portion of the first semiconductor layer located below the first gate electrode. A semiconductor device with a higher impurity concentration.
前記n型不純物領域は前記第2の半導体層の下部にまで拡がっており、
前記n型不純物領域のうち前記第2の半導体層の下部に設けられた部分のn型不純物濃度は、前記n型不純物領域のうち前記第1のエクステンション領域の下で且つ前記第1の半導体層内に設けられた部分のn型不純物濃度よりも低い半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The n-type impurity region extends to a lower portion of the second semiconductor layer;
A portion of the n-type impurity region provided below the second semiconductor layer has an n-type impurity concentration below the first extension region of the n-type impurity region and the first semiconductor layer. A semiconductor device having an n-type impurity concentration lower than that of a portion provided therein.
前記n型不純物領域は、一方の前記第1のエクステンション領域の下から前記第1のゲート電極の下方を通って他方の前記第1のエクステンション領域の下に亘って設けられており、
前記n型不純物領域のうち前記第1の半導体層内に設けられた部分のn型不純物濃度はほぼ均一である半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The n-type impurity region is provided from below one of the first extension regions to below the first gate electrode and below the other first extension region,
A semiconductor device in which an n-type impurity concentration in a portion of the n-type impurity region provided in the first semiconductor layer is substantially uniform.
前記第1の半導体層及び前記第2半導体層には、歪みが印加されている半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor device in which strain is applied to the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第2の半導体層中のゲルマニウムの原子濃度は10%以上である半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor device in which an atomic concentration of germanium in the second semiconductor layer is 10% or more.
前記第1の半導体層中のゲルマニウムの原子濃度は、前記第2の半導体層中のゲルマニウムの原子濃度よりも10%以上高い半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device in which an atomic concentration of germanium in the first semiconductor layer is 10% or more higher than an atomic concentration of germanium in the second semiconductor layer.
前記第1の半導体層の膜厚は、5nm以上且つ20nm以下である半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor device in which the film thickness of the first semiconductor layer is not less than 5 nm and not more than 20 nm.
前記Pチャネル型トランジスタは、前記第2半導体層と前記第1のゲート絶縁膜との間に設けられたシリコンからなる第3の半導体層をさらに有している半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The P-channel transistor further includes a third semiconductor layer made of silicon provided between the second semiconductor layer and the first gate insulating film.
前記第3の半導体層の膜厚は3nm以下である半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9.
A semiconductor device in which the film thickness of the third semiconductor layer is 3 nm or less.
前記半導体基板上に第2のゲート絶縁膜を間に挟んで形成された第2のゲート電極と、前記半導体基板のうち前記第2のゲート電極の両側方に位置する部分に形成されたn型の第2のエクステンション領域とを備えたNチャネル型トランジスタをさらに備えている半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A second gate electrode formed on the semiconductor substrate with a second gate insulating film interposed therebetween; and an n-type formed on a portion of the semiconductor substrate located on both sides of the second gate electrode. A semiconductor device further comprising an N-channel transistor including the second extension region.
前記半導体基板のうち前記第2のゲート電極の下方に位置する部分は、シリコンで構成されている半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11,
A portion of the semiconductor substrate located below the second gate electrode is a semiconductor device made of silicon.
前記第1のゲート絶縁膜は高誘電率絶縁体材料を含んでおり、
前記第1のゲート電極は、金属又は導電性の金属化合物からなる下部ゲート電極と、下部ゲート電極上に設けられ、ポリシリコンからなる上部ゲート電極とで構成されている半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 12,
The first gate insulating film includes a high dielectric constant insulator material;
The first gate electrode includes a lower gate electrode made of metal or a conductive metal compound, and an upper gate electrode made of polysilicon and provided on the lower gate electrode.
前記第2の半導体層の膜厚は、前記第1のエクステンション領域と前記n型不純物領域との接合位置の深さと等しい半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 13,
The thickness of the second semiconductor layer is a semiconductor device equal to the depth of the junction position between the first extension region and the n-type impurity region.
前記第1の半導体層上に前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層上にゲート絶縁膜を間に挟んでゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記第2の半導体層にp型不純物イオンを注入しエクステンション注入領域を形成する工程と、
前記半導体基板に熱処理を加えることで前記エクステンション注入領域内の不純物を活性化させ、前記第2の半導体層のうち前記ゲート電極の両側方に位置する領域にp型のエクステンション領域を形成する工程とを備えている半導体装置の製造方法。 Forming a first semiconductor layer containing germanium on a semiconductor substrate;
Forming a second semiconductor layer containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer on the first semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the second semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween;
Implanting p-type impurity ions into the second semiconductor layer using the gate electrode as a mask to form an extension implantation region;
Applying heat treatment to the semiconductor substrate to activate impurities in the extension implantation region, and forming a p-type extension region in regions of the second semiconductor layer located on both sides of the gate electrode; A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記ゲート電極の形成後、前記エクステンション領域の形成前に前記ゲート電極をマスクとして前記第1の半導体層にn型不純物イオンを注入してポケット注入領域を形成する工程をさらに備え、
前記エクステンション領域の形成工程では、前記ポケット注入領域内のn型不純物を活性化させることで、前記第1の半導体層内であって前記エクステンション領域の下にn型不純物領域を形成する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 15,
After forming the gate electrode and before forming the extension region, the method further comprises a step of implanting n-type impurity ions into the first semiconductor layer using the gate electrode as a mask to form a pocket implantation region.
In the extension region forming step, an n-type impurity in the pocket implantation region is activated to form an n-type impurity region in the first semiconductor layer and below the extension region. Production method.
前記第1の半導体層を形成する際にはin-situドーピングによりn型不純物が導入され、
前記エクステンション領域の形成工程では、n型不純物領域である前記第1の半導体層の上に前記エクステンション領域が形成される半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 15,
When forming the first semiconductor layer, n-type impurities are introduced by in-situ doping,
In the extension region forming step, the extension region is formed on the first semiconductor layer which is an n-type impurity region.
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